天津工业大学纺织学院

刘延波

RISEResearch, Innovation and Science for Engineered Fabrics Conference&N3MNanofibers for The Third Millennium)国际会议于201529-12日在美国弗罗里达州迈阿密市希尔顿饭店(Hilton Miami Downtown)举行(图1),主办方为INDA(美国无纺布产业协会,Association of the Nonwoven Fabrics Industry),其中912日的N3M为静电纺纳米纤维会议专场,由捷克ELMARCO公司主持。本次会议赞助商包括捷克Elmarco,美国纤维制造商协会(American Fiber Manufacturers Association, Inc.),国际产业用纺织品协会(Industrial Fabrics Association International),以及TAPPITechnical Association of the Pulp and Paper Industry,美国纸浆与造纸工业技术协会)。

2015212日的N3M会议上,首先由N3M会议的主办方,捷克Elmarco公司的董事长Fred Lybrand先生致开幕词,对来自世界各地的数十名与会者表示欢迎和感谢,然后由相关研究人员作了有关过滤行为建模结构的作用(美国The Nonwovens Institute)、电纺非织造材料用于混杂和陶瓷纤维的未来,以及设计和开发过滤媒介以控制空气中的亚微米、纳米级颗粒的报告。此后,大会分成四个同时进行的分会进行学术报告,分别为“MEDICAL”、“TECHNOLOGY & MATERIALS I”、“FILTRATION”和“TECHNOLOGY & MATERIALS II”分会。来自伊利诺大学芝加哥分校的Alexander L. Yarin博士出席了会议并作了题为“Biodegradable and Biocompatible Soy Protein/Petroleum-Derived Polymer Electrospun Nanofiber Patches for Plant Protection”的报告。图2所示为大会现场。

大会报告的亮点是离心静电纺、交流静电纺和熔融塑料纳米纤维制备技术。

一、规模化离心静电纺丝技术

来自德国Dienes Apparatebau GmbH公司的Christian Thum做了“Centrifugal Spinning of Nanofibers Stepping Up in Productivity”的报告。该公司的HyperBell离心静电纺丝技术(图3)具有产量高、纤维分布均匀,纳米纤维网厚度均匀(CV for Basis weight=1426%)的特点。离心静电纺丝头旋转速度高达50000 rpm,单头产量高达~3kg/hr,纤维最小直径可达80nm.

二、规模化交流静电纺丝技术

交流(AC)电纺早在静电纺丝技术发展初期已经有研究人员采用过,但是后续没有得到深入研究和发展,目前实验室研究和工业化生产应用的高压电源均采用DC,原因可能是由于DC高压比较安全,所纺纤维直径较细较均匀;AC高压相对比较危险,所纺纤维直径较粗且分布不匀。普通(静)电纺一般采用直流(DC)电源作为高压电源;捷克利伯希大学(Technical University of Liberec)的David Lukáš项目组采用交流(AC)电纺丝技术制备了连续纳米纤维纱,不需要凝固浴即可连续接收纳米纤维纱,产品有望用于医用缝合线。此种AC电纺的特点是无针头、无接收器、高效高产,所得纳米纤维纱呈紧凑羽毛状分布(图4-6)。

三、工业化熔融塑料纳米纤维制备技术

来自美国 The Nanofiber GroupLeonard Torobin 博士做了题为“Industrial Scale Nanofiber from Molten Plastics”的报告,展示了一种规模化熔体静电纺丝技术(图7),其成本费用远低于传统的熔喷非织造技术,纤维较细且分布较窄。纤维直径范围150500nm250nm直径的纤维约占40%300nm直径的纤维约占26%200nm直径的纤维约占17.5%

此次会议上笔者亦代表天津工业大学作了题为“Bicomponent Blend-electrospun Separator for Lithium Ion Battery”的报告,展示了一种利用双组份复合电纺膜制备高性能锂离子电池隔膜的新方法(图8)。本研究拟采用(PVdF-HFP)/(PI-TiO2)作为纳米纤维锂电隔膜,但是由于TiO2纳米颗粒具有极高的表面能和表面吸附性能,容易在聚合物纺丝液中发生团聚,不利于其在PI 纺丝液中的均匀分散、混合,因此首先用HEMATiO2进行了接枝改性。图9为接枝改性对纳米颗粒在聚合物纺丝液中的分散状态的改善情况示意图。

研究结果发现,在PI中混杂2%HEMA接枝改性TiO2就可以极大地改善TiO2纳米颗粒在PI纺丝液中的分散均匀性、不再发生颗粒团聚,并且有效减小了PVDF-HFP/TiO2-PI双组分电纺纳米纤维的细度,改善了电纺膜的孔隙率、电解液吸收率、润湿性等物理性能和机械性能,提高了锂离子电导率、界面及电化学稳定性、循环性能和热稳定性;一层电纺膜即可兼具低温热闭孔性和高温热暴走性能,某些性能接近或优于美国Celgard 和日本Asahi的锂电隔膜,可用于动力锂电池隔膜。

此外,来自美国田纳西大学的Gajanan S. Bhat, Ph.D/Professor作了题为“Nanofibers from the Meltblowing Process: Recent Developments, Future Opportunities, and Challenges”的报告,探索了用熔喷非织造技术制备纳米纤维材料的新方法(图10),具有用于过滤材料的潜在可能性。该熔喷纳米纤维非织造技术采用来自美国Hills AGR公司的Nanofiber Dies技术,对原料的重量要求很低,不足1kg也可进行开机试验。但是,通过增加喷丝孔密度、减小喷丝孔直径和提高聚合物原料的MFR所得到的熔喷纳米纤维直径分布太广,纤维强度偏低、长度参差不齐使得熔喷纳米纤维没有太大的实

用价值。

本次大会的主要报告题目如下:

  1. Electrospun Nanofiber Filters for Critical Removal of Bacteria and VirusesGabriel Tkacik, Ph.D., Director, Filtration R&D, EMD Millipore Corporation
  2. Novel Superhydraphilic P(LLA-CL)/Fibrinogen Electrospun Scaffold for Tissue RegenerationHongbing He, Ph.D., Founder & CEO, Shanghai P & P Biotech Co., Ltd.
  3. Combination of Nanofibres and Microfibres in 3D Scaffold for Bone or Cartilage Regeneration Jirí Chvojka, Ph.D., Assistant Professor, Technical University of Liberec
  4. Centrifugal Spinning of Nanofibers–Stepping Forward in ProductivityChristian Thum, Project Engineer, Dienes Apparatebau GmbH
  5. Mass Production of Nanofibers Using Altering Current Electrospinning David Lukas, Ph.D., Chair of the Department of Nonwovens, Faculty of Textile Engineering,Technical University of Liberec
  6. New High-performance Barrier Membrane for Nonwoven ApplicationsFred Humiston, President, Bluetek Membrane Corporation
  7. Cellulose Acetate Micro-and Nanofibers as Particle Filter Media Saptarshi Chattopadhyay, Ph.D., Postdoctoral Associate, Rutledge Research Group, MIT
  8. Fine Fibers for Filtration: A Donaldson PerspectiveSuresh Shenoy, Ph.D., Senior Principal Scientist, Corporate Technology, Donaldson Company
  9. Anionic Nanofiber Filter for Trace Metal Removal in Ultrapure WaterTakahiro Kawakatsu, Dr. Eng., Senior Researcher, Kurita Water Industries Ltd.
  10. Nanofiber Filter Media for Residential and Commercial HVACThad Ptak, Ph.D., VP of Research &Development, Columbus Industries Inc.
  11. Industrial Scale Nanofiber from Molten PlasticsLeonard Torobin, Chief Executive Officer, Nanofiber Technology, Inc.